摘要

根据生物质气化原理,针对目前气化炉产气热值低和存在焦油的问题,设计了一种内燃加热式气化炉。内燃加热式气化炉优于已有的固定床气化炉、流化床气化炉;类似于下吸式固定床气化炉,热解气中焦油含量低;设置以热解气为燃料的内加热系统,减少了空气入炉量,提高了热解气热值。内燃加热式气化炉是将生物质气化与焦油的催化裂解集于一体,不需要再为催化裂解提供热源。

引言

近年来,生物质气化技术得到很快的发展,多种形式的气化炉被开发出来,这些气化炉分为固定床气化炉和流化床气化炉两类[1]。固定床气化炉分为下吸式、上吸式、横吸式和开心式几种。下吸式气化炉在微负压下运行,对密封要求不高,产出可燃气热值高、焦油含量少,但是可燃气中灰分多,且可燃气出炉温度高。上吸式气化炉在微正压下运行,对密封要求高,可燃气中焦油含量高。流化床气化炉, 炉内温度高而且恒定,焦油在高温下裂解生成气体,燃气中焦油比较少,但出炉的燃气中含有较多的灰分,并且流化床气化炉结构比较复杂,设备投资大,大型气化设备较多。

从气化炉的研究发展趋势来看,改进气化炉的结构和气化工艺,提高产气热值和清洁度,达到系统要求的焦油含量(标准状态下小于10 mg/m3),提高生物质能源利用系统的热效率,一直是国内外学者关注的焦点[2~6]。本文从提高燃气热值、降低焦油的角度出发,设计一种内燃加热式气化炉。

1内燃加热式气化炉的工作原理

内燃加热式气化炉结构如图1所示。气化炉将生物质气化与焦油的催化裂解集于一体,这样就不需要再为催化裂解提供热源,简化了制气设备,提高了能源利用率。炉身有3个圆筒将生物质气化区与催化裂解区分开。生物质物料由料斗加入,电动机带动回转阀转动,物料落入炉内滑板上,经过层层滑落,最后落到炉体底部。当炉内物料进入一定量后,从炉体侧窗口点燃物料,燃气引风机工作,使炉内气体由炉体下部沿两圆筒间缝隙向上运动,经过过滤层进入催化裂解区;再由燃气管引出燃气,一部分由废气引风机抽取经回流燃气风量调节阀、止火器,与空气混合点燃后进入蛇形管给气化炉内提供热量,最后成废气排出;另一部分经过热交换器,由燃气引风机引出的气体,可作为燃气收集。灰渣从底部由连续排灰装置排出。

图 1内燃加热式气化炉原设计结构简图

1.料斗2.进料机构3.催化剂顶部入口4.滤网5.搅拌叶片6.搅拌轴7.炉体8.耐高温炉壁9.保温层10.内燃管道11.挡板12.燃气出口13.催化剂底部出口14.锥状炉底15.出渣机构16.排渣口17.雾化器18.点火器19.热交换器20.输气管道21.引风机22.燃气量调节阀23.燃气回流支路24.空气流量计25.空气调节阀26.催化剂床层27.燃气通道28.进风量调节阀29.风量流量计30.排气风机

该气化炉的气化过程大致可分为生物质气化[7~10]与焦油的催化裂解2个过程。生物质首先被干燥。当温度达到或超过160℃时,生物质将会发生热解并析出挥发分,反应产物较为复杂,主要为碳、氢气、水蒸气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、焦油和其他烃类物质等。少量空气的加入,使挥发分、炽热的炭和空气中氧气发生不完全氧化反应,生成一氧化碳、二氧化碳和水蒸气,同时也释放出热量。雾化水蒸气和氧化生成的二氧化碳、水蒸气与炽热的炭发生还原反应生成一氧化碳、氢气和甲烷等可燃气体。最后,这些混合气体由引风机抽取沿壁缝向上运动进入催化裂解区。混合气中的焦油在很高的温度(1 000~1 200℃)下能分解成小分子气体,但实现这样高的温度是比较困难的。若在气化过程加入催化剂,在700~900℃温度下,能将绝大部分焦油裂解,裂解的产物与燃气成分相似[11~13]。

整个气化炉的正常运行,是一个平衡的过程,炉内压力为微负压,通过进料量、各个阀门的调节得到最理想的气化燃气。气化过程如图2所示。

图 2

   

  

2内燃加热式气化炉的主要参数设计

影响气化炉性能的主要设计参数有:每小时处理生物质量、燃气质量、气化效率、气化剂用量、回流燃烧燃气量、回流燃气燃烧所需空气量、燃烧所产生的废气量、产气量输出功率等。通过分析4种气化方式以及相互间的关系,由空气气化逐步推理计算出气化炉气化工作时(空气-水蒸气气化加部分燃气回流燃烧)的主要参数。由于生物质种类较多,本次设计所选用的原料为麦秸,具有一定的代表性。

2.1空气气化

空气气化可以做到自供热,但由于空气中N2的体积分数约为80%,使生成气中的N2体积分数高达50%左右,因而气体热值比较低,大约只有5 MJ/m3左右[7]。

某厂家固定床气化麦秸生成的燃气成分(体积分数)为:CO 17·6%、H28·5%、CH41.36%、CO214.0%、O21.7%、N256.84%,低位热值为3 663 kJ/m3。由文献[7]得,麦秸在自然风干情况下的低位热值为15.36 MJ/kg。

根据元素守恒,气化反应后气体中C含量约小于原料中C的含量,得

根据能量守恒,自供热气化反应生成的燃气总低位热值应小于原料的低位热值,即

2.2空气-水蒸气气化

空气(或氧气)-水蒸气气化比单用空气或单用水蒸气气化都优越,它是自供热系统,不需要复杂昂贵的外供热源;另外气化所需的一部分氧气可由水蒸气裂解来提供,减少了外供空气(或氧气)的消耗量,并生成更多的H2,碳氢化合物,特别是在有催化剂作用的条件下一氧化碳可以与氢气反应生成甲烷,降低了气体中CO的含量,使气体燃料更适合于用作城市燃气。在水蒸气(800℃)与生物质比为0.95,氧气当量比为0.2的情况下,氧气-水蒸气气化生成气的成分(体积分数)为:CO2 8%、H232%、CO232%、CH47.5%、CnHm2.5%,气体热值约为11~12 MJ/m3,属中热值气体[7]。

由空气气化生成气中N2的体积分数为50%左右,再由元素守恒和能量守恒,可设空气-水蒸气气化的气体特性为表1所示。气化气体的低位热值Qg简化计算公式为

Qg=126φCO+108φH2+359φCH4+665φCnHm

2.3水蒸气气化加部分燃气回流燃烧

水蒸气气化一般不单独使用,而是与氧气(或富氧空气)气化联合采用,否则仅由水蒸气本身提供的热量难以为气化提供足够的热源。典型的水蒸气气化生成气的成分(体积分数)为:CO 28%~42%、H220%~26%、CO216%~23%、CH410%~20%、C2H42%~4%、C2H61%、CnH=2%~3%。由于氢气和甲烷含量较高,故生成气的热值可以达到11~19 MJ/m3[7]。

由麦秸空气-水蒸气气化生成气中N2的体积分数约为50%,气体产率(标准状态下)约为

2·0m3/kg,所以设水蒸气气化气体产率约为1 m3/kg,再设水蒸气气化的气体特性如表1所示,经式(2)~

(3)核算符合。

气化气体中H2由还原反应产生,消耗热量,空气-水蒸气气化比水蒸气气化生成气中H2的量多;又气化气体温度升高消耗热量,燃气最高温度约为1 200℃,每千克原料水蒸气气化气体量约为空气水蒸气气化时的1/2;所以每千克麦秸水蒸气气化所消耗的热量不超过空气-水蒸气气化所消耗的热量,得水蒸气气化所消耗的热量不超过3.5 MJ/kg所以需要不超过约1/4的燃气回流燃烧。

由燃气中CO、H2与其燃烧所需氧气的体积比约为2,CH4与其燃烧所需氧气的体积比约为0.5,

考虑到CnHm,经计算可得回流燃烧所需氧气量由空气中氧气的体积分数约为20%,可得回流燃烧所需空气量。由于空气中的N2不参加反应,根据燃烧反应方程式可得燃气回流燃烧所产生的废气量(标准状态下,且水以水蒸气形式存在)。